KR20190053772A - Vibrating structure gyroscopes - Google Patents

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KR20190053772A
KR20190053772A KR1020180122904A KR20180122904A KR20190053772A KR 20190053772 A KR20190053772 A KR 20190053772A KR 1020180122904 A KR1020180122904 A KR 1020180122904A KR 20180122904 A KR20180122904 A KR 20180122904A KR 20190053772 A KR20190053772 A KR 20190053772A
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케빈 타운센드
앤듀 카이저
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애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
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Abstract

A vibration structure gyroscope comprises: an annular resonator (6) arranged so as to vibrate in a plane in response to electrostatic driving forces; a first set of capacitive balancing electrodes (8) which are digitally controlled; and a second set of capacitive balancing electrodes (10) which are digitally controlled. The second set of capacitive balancing electrodes (10) are arranged to dynamically apply a micro balancing voltage which generates a dynamic electrostatic balancing force.

Description

진동 구조 자이로스코프{VIBRATING STRUCTURE GYROSCOPES}VIBRATING STRUCTURE GYROSCOPES [0002]

본 개시는 진동 구조 자이로스코프에 관한 것으로, 특히, 이에 제한되는 것은 아니지만, 코리올리-형(Coriolis-type) 자이로스코프에 관한 것이다. This disclosure relates to a vibrating structure gyroscope, and more particularly, but not exclusively, to a Coriolis-type gyroscope.

MEMS(Micro-Electro-Michanical Systems) 기술을 이용하여 제작되는 진동 구조 자이로스코프는 안내 및 제어를 위한 항공 우주 어플리케이션에서 용도를 찾을 수 있다. 전형적인 코리올리-형 진동 구조 자이로스코프는 정전 구동 신호들에 응답하여 평면내(in-plane) 진동하도록 컴플라이언트 레그(compliant leg)들에 의해 지지되는 환형 공진기를 포함한다. 환형 공진기는 예를 들어 WO 2006/006597에서 기술되는 바와 같이, cos 2θ 진동 쌍을 이용하여 동작될 수 있다. 동작 시, 구동 트랜스듀서는 공칭 공진 주파수, 예를 들어 14kHz,에서 주 이동 축을 따라 제1 캐리어 진동을 여기시킨다. 자이로스코프가 환형 공진기의 플레인(plane)에 정상적인(normal) 축을 중심으로 회전될 때, 코리올리의 힘이 생성되어 주 축에 45도로 배치된 2차 이동 축을 따라 2차 응답 진동으로 에너지를 결합한다. 완벽한 환형 공진기의 이론적인 경우에, 도 1에서 개략적으로 도시된, 주 이동은 여기 주파수에 관계없이 항상 주 축에 정렬된다. 코리올리-유도된 2차 응답 진동은 45도로 2차 축에 정렬되고 주파수 분할이 없다. Vibration structure gyroscopes fabricated using Micro-Electro-Michanical Systems (MEMS) technology can find applications in aerospace applications for guidance and control. A typical Coriolis-type oscillating structure gyroscope includes an annular resonator supported by compliant legs for in-plane oscillation in response to electrostatic drive signals. The annular resonator can be operated using a cos 2 &thetas; pair of vibrations, for example, as described in WO 2006/006597. In operation, the drive transducer excites the first carrier oscillation along the main movement axis at a nominal resonance frequency, e.g., 14 kHz. When the gyroscope is rotated about the normal axis in the plane of the annular resonator, the Coriolis force is generated to couple the energy with the secondary response oscillation along the secondary axis of movement, which is located at 45 degrees to the primary axis. In the theoretical case of a perfect annular resonator, the main movement, schematically shown in Fig. 1, is always aligned with the main axis regardless of excitation frequency. Coriolis-induced secondary response vibration is aligned at 45 degrees on the secondary axis and there is no frequency division.

하지만, 실제로는 공진기의 환형 형상에는 기하학적인 불완전성이 있으며 이것은 주어진 공진 주파수(예를 들어, 14kHz)에서의 제1 캐리어 진동은 두 개의 직교 모드들, 약간 고주파 fH로 시프트된 고 주파수 모드(HFM) 및 약간 저주파 fL로 시프트된 저 주파수 모드(LFM)의 중첩이다. 불완전성은 서로 다른 주파수들을 갖는 모드들을 유도하기 때문에, 하나는 필연적으로 다른 것보다 고주파이다. 하지만 고주파 모드 fH는 모드 주파수들이 동일한 완벽한 경우보다 더 높을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 주파수 분할 Δf는 HFM과 LFM의 주파수들 사이의 차, 즉 Δf= fH-fL이다. cos 2θ 진동 쌍에 있어서, 직교하는 고 주파수 및 저 주파수 모드들은 항상 서로에 대해 45도이지만 일반적으로 기준 축으로 사용되는 주 축에 대해 임의의 각도 위치에 있을 수 있다. 각도 값 α는 공진기 내의 불완전성에 따라 달라진다. In practice, however, the annular shape of the resonator is geometrically imperfect, which means that the first carrier oscillation at a given resonant frequency (e.g., 14 kHz) is in two orthogonal modes, a high frequency mode shifted to a slightly higher frequency f H HFM) and a slightly lower frequency f L shifted low frequency mode (LFM). Since incompleteness leads to modes with different frequencies, one is inevitably higher frequency than the other. However, the high frequency mode f H may or may not be higher than the perfect case where the mode frequencies are the same. The frequency division Δf is the difference between the frequencies of HFM and LFM, ie Δf = f H -f L. For a cos 2 &thetas; pair, the orthogonal high frequency and low frequency modes are always at 45 degrees relative to each other, but may be at any angular position relative to the major axis used as the reference axis in general. The angle value? Depends on the imperfection in the resonator.

MEMS 설계 및 제작 공정들은 고 주파수 및 저 주파수 모드들 사이의 임의의 주파수 차이를 최소화하기 위한 시도로서 정밀한 허용 오차를 갖는 평탄한(planar) 실리콘 링 공진기들을 생산할 수 있다. 하지만, 환형 공진기의 기하학적 형상에서의 작은 불완전성도 전형적으로 잔류 주파수 분할을 야기할 것이다. MEMS design and fabrication processes can produce planar silicon ring resonators with precise tolerances as an attempt to minimize any frequency difference between high and low frequency modes. However, small imperfections in the geometry of the annular resonator will also typically result in residual frequency division.

MEMS 링 자이로스코프의 성능은 제조시에 얻어질 수 있는 것보다 고 주파수 및 저 주파수 모드들의 보다 정확한 밸런싱에 의해 개선될 수 있다. 한 접근 방식에서, 환형 공진기의 질량 또는 강성 분포가, 예를 들면 제조 후 재료의 레이저 제거를 사용하여, 조정된다. WO 2013/136049에서 설명된 것과 같은, 레이저 밸런싱은 일반적으로 유도성 자이로스코프를 위한 생산 공정의 일부로서 사용된다. 이로 인해 개선된 성능을 제공하나 동작 및 수명 중에 임의의 변화에 대해 설명할 수 없다. The performance of a MEMS ring gyroscope can be improved by more accurate balancing of high frequency and low frequency modes than can be achieved at the time of manufacture. In one approach, the mass or stiffness distribution of the annular resonator is adjusted, for example, using laser ablation of material after fabrication. Laser balancing, as described in WO 2013/136049, is generally used as part of the production process for inductive gyroscopes. This provides improved performance but can not account for any changes in operation and lifetime.

용량성 자이로스코프에서, 정전 밸런싱 방식은 일반적으로 환형 공진기 주변으로 배치된 다수의 밸런싱 전극 판들을 사용해서 링 주변의 임의의 위치에 대해서도 밸런싱이 분해(resolve)될 수 있다. 초기의 정적 정전 밸런싱 보정은 환형 공진기의 강성을 국부적으로 조정하고 제조 허용오차를 보상하기 위해 하나 이상의 판들에 적용될 수 있다. 하지만, 동작 중에 정전 밸런싱 전압들을 제어하는 것 또한 알려져 있다. 예를 들어, WO 2006/006597은 자이로스코프의 동작 중에 진동 주파수 조정에 사용되는 16개의 밸런싱 전극 판들을 설명한다. 정전기 밸련싱은 링과 밸런싱 판 사이의 전압 차의 제곱에 비례하는 주파수 감소를 발생시키는 강성의 국부적인 감소를 적용한다. 이것은 정확한 일치를 달성하도록 노력하기 위해 고 주파수 및 저 주파수 모드들이 서로 다르게 조정될 수 있다는 것을 의미한다. 고정된 DC 전압들을 환형 공진기 주변에 위치된 4개의 밸런싱 판들의 그룹에 인가함으로써, 주파수 분할 Δf는 1Hz 미만으로 감소될 수 있다. 도 2에 보여지는 것은 HFM 및 LFM 주파수들 사이에서 0.424 Hz 분할을 갖는 33,000 Q 팩터 자이로스코프의 예(α=0도)이다. In a capacitive gyroscope, electrostatic balancing schemes can typically resolve balancing for any position around the ring using a plurality of balancing electrode plates disposed around the annular resonator. The initial static electrostatic balancing correction may be applied to one or more plates to locally adjust the stiffness of the annular resonator and to compensate for manufacturing tolerances. However, it is also known to control electrostatic balancing voltages during operation. For example, WO 2006/006597 describes 16 balancing electrode plates used for oscillating frequency adjustment during operation of a gyroscope. Electrostatic balancing applies a local reduction of stiffness which results in a frequency reduction proportional to the square of the voltage difference between the ring and the balancing plate. This means that the high frequency and low frequency modes can be adjusted differently to try to achieve an exact match. By applying the fixed DC voltages to a group of four balancing plates located around the annular resonator, the frequency division [Delta] f can be reduced to less than 1 Hz. 2 is an example of a 33,000 Q factor gyroscope (a = 0 degrees) with a 0.424 Hz division between HFM and LFM frequencies.

비록 정전기 밸런싱이 용량성 자이로스코프에 사용되어 오긴 했지만, 밸런싱 판들에 인가되는 디지털로-제어되는 전압들은 디지털-아날로그 변환기(DAC) 및 그 정의된 최하위비트(least significant bit:LSB)에 의해 설정된 이산의(discrete) 아날로그 출력 값들, 즉 연속적인 아날로그 출력들 사이의 단계(step), 을 갖는다. 선형으로 변화하는 전압의 디지털 수단들을 사용할 때, 밸런싱 효과의 분해능(resolution)은 인가된 전압 차이가 증가함에 따라 감소한다. 이는 전압의 제곱에 관련되는 주파수 분할 Δf를 갖는, 밸런싱의 제곱 특성 때문이다. 동적 밸런싱이 큰 정적 밸런싱 보정과 결합하여 실행되면, 이용 가능한 분해능이 저하되고, 이것은 전체적인 자이로스코프의 성능을 제한한다. Although the electrostatic balancing has been used in capacitive gyroscopes, the digitally-controlled voltages applied to the balancing plates are divided into a digital-to-analog converter (DAC) and a discrete set by its defined least significant bit (LSB) Discrete analog output values, i.e., steps between successive analog outputs. When using digital means of linearly varying voltage, the resolution of the balancing effect decreases as the applied voltage difference increases. This is due to the square nature of the balancing, with frequency division [Delta] f being related to the square of the voltage. When dynamic balancing is performed in conjunction with large static balancing correction, the available resolution is degraded, which limits the performance of the overall gyroscope.

용량성 자이로스포크의 동작 중에 개선된 정전 주파수 밸런싱을 달성하고자 하는 요구가 여전히 존재한다. There is still a need to achieve improved electrostatic frequency balancing during operation of capacitive gyro spokes.

여기에서 다음을 포함하는 진동 구조 자이로스코프가 개시된다: Wherein a vibrating structural gyroscope is disclosed comprising:

정전 구동력들에 응답하여 평면내(in a plane) 진동하도록 배치된 환형 공진기; An annular resonator arranged to vibrate in plane in response to the electrostatic driving forces;

제1 주파수 fP에서 주 축을 따라 제1 cos nθ 공진을 여기시켜서, 면외(out-of-plane) 축에 관해 인가된 각도 비율로부터 생기는 코리올리 힘이 제2 주파수 fS에서 2차 축을 따라 제2 cos nθ 공진을 유도하는, 정전 구동력을 생성하는 전압을 인가하도록 배치된 용량성 구동 전극들의 세트; A first frequency from f P along the primary by here a first cos nθ resonance, the Coriolis force resulting from the applied angular rate about the out-of-plane (out-of-plane) axes claim along the second in a second frequency f S 2 a set of capacitive driving electrodes arranged to apply a voltage to induce cos n? resonance, which generates an electrostatic driving force;

상기 환형 공진기의 기하학적 형상은 고주파 모드 fH 및 직교하는 저주파 모드 fL의 중첩이 되고, Δf=fH-fL로 정의되는 주파수 분할 Δf를 갖는 제1 주파수 fP를 초래하고,The geometry of the annular resonator is superimposed on the high frequency mode f H and the orthogonal low frequency mode f L , resulting in a first frequency f P having a frequency division? F defined by? F = f H -f L ,

작은 주파수 오프셋 f0에 의해 주파수 fL 아래의 오프셋 주파수 fH', 즉 fH'=fH-Δf-f0, 로 상기 주파수 fH를 낮추도록 정적 정전 밸런싱 힘을 생성하는 제1 정적 밸런싱 전압을 인가하도록 배치된 디지털적으로 제어되는 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들; 및 A first static balancing to generate a static electrostatic balancing force to lower the frequency f H by an offset frequency f H 'below the frequency f L by a small frequency offset f 0 , i.e., f H ' = f H -? F - f 0 , A first digitally controlled set of capacitive balancing electrodes arranged to apply a voltage; And

상기 동일한 작은 주파수 오프셋 f0에 의해 오프셋 주파수 fL', 즉 fL'=fL-f0, 로 상기 주파수 fL를 낮추도록 작은 정적 정전 밸런싱 힘을 생성하는 제2 정적 밸런싱 전압을 인가하도록 배치된 디지털적으로 제어되는 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들을 포함하고, To apply a second static balancing voltage that produces a small static electrostatic balancing force to lower the frequency f L by an offset frequency f L ', i.e., f L ' = f L -f 0 , by the same small frequency offset f 0 And a second digitally controlled second set of capacitive balancing electrodes disposed,

상기 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극은 동작시 fH'를 fL'로 유지시키도록 상기 오프셋 주파수 fH'를 낮추기 위해 미세 주파수 조정 ±δf을 제공하는 동적 정전 밸런싱 힘을 생성하는 미세 밸런싱 전압을 동적으로 인가하도록 배치된다. Capacitive balancing electrode of the second set of fine balancing voltage for generating a dynamic electrostatic balancing force to provide fine frequency adjustment ± δf to reduce the offset frequency f H, so as to keep "a f L 'during operation f H in As shown in FIG.

실제로는, 환형 공진기의 불완전한 기하학적 구조는 유감스럽게도 제1 주파수 fp가 고주파 모드 fH 및 직교하는 저주파 fL의 중첩이 되는 결과를 초래한다는 것은 이해될 것이다. 저주파 모드 fL은 고주파 모드 fH의 노드 위치에 비교될 때 수학적으로 직교하는, 즉 앤티노드(anti-node) 위치에 있다. 제1 cos2θ 공진에 대해 고주파 모드 fH 및 직교하는 저주파 모드 fL 사이에는 45°의 각이 있다. 제1 cos3θ 공진에 대해 고주파 모드 fH 및 직교하는 저주파 모드 fL 사이에는 30°의 각이 있다. 물론 더 고차의 cosnθ 공진들이 여기될 수 있고, 고주파 모드 fH 및 직교하는 저주파 모드 fL 사이의 각은 90°/n인 일반적인 규칙에 의해 주어진다. In practice, it will be appreciated that the incomplete geometry of the annular resonator unfortunately results in the first frequency f p being superimposed on the high frequency mode f H and the orthogonal low frequency f L. The low-frequency mode f L is mathematically orthogonal, that is, in an anti-node position when compared to the node position of the high-frequency mode f H. There is an angle of 45 degrees between the high frequency mode f H and the orthogonal low frequency mode f L for the first cos 2? Resonance. There is an angle of 30 degrees between the high frequency mode f H and the orthogonal low frequency mode f L for the first cos 3? Resonance. Of course higher order cos n? Resonances can be excited, and the angle between the high frequency mode f H and the orthogonal low frequency mode f L is given by the general rule of 90 ° / n.

본 개시에 따르면, 제1 세트의 디지털적으로 제어되는 밸런싱 전극들은 주파수 fH를 Δf+f0 만큼 낮추기 위해 정적 정전 밸런싱 힘을 생성하는 제1 정적 밸런싱 전압을 인가한다. 따라서 이전에 알려진 바와 같이 주파수 분할 Δf를 제거하기 위한 시도로서 주파수 fL에 맞추기 위해 단순히 주파수 fH를 낮추는 것 보다는, 제1 세트의 밸런싱 전극들에 의해 고주파 모드 fH에 적용되는 부가적인 주파수 오프셋 f0이 있다. 본 개시에 따르면, 제2 세트의 디지털적으로 제어되는 밸런싱 전극들이 동일한 작은 주파수 오프셋 f0에 의해 주파수 fL을 낮추는데 사용된다. 이것은 고주파 모드 fH 및 저주파 모드 fL 모두가 작은 주파수 오프셋 f0에 의해 이제 주파수 밸런싱이 적용될 수 있는 새로운 주파수 위치로 시프트된다. Δf 및 f0 를 제공하는 정적 밸런싱은 매우 비선형적이고(non-linear) 아날로그 도메인에서 정확하게 얻어지는 것이 매우 어렵다는 것이 주목된다. 제2 세트의 밸런싱 전극들 또한 선행 기술의 주파수 밸런싱 스킴에 비교할 때, 얻어진 더 미세한 주파수 조정 ±δf로 미세 밸런싱 전압을 동적으로 인가하기 위해 사용되고, 이제 이것이 주파수 오프셋 f0에 관하여 적용된다. 동적 미세 밸런싱 (아날로그 또는 디지털 도메인에서 수행되는)은 작은 주파수 오프셋 f0을 저주파 모드 fL에 적용하는데 사용되는 것처럼 동일한 제2 세트의 전극들을 사용한다. 이것은 주파수 분할 Δf를 제거하기 위해 인가되는 제1 정적 밸런싱 전압의 크기에 무관하게 동적 밸런싱의 분해능이 개선되는 것을 보장한다. 이러한 동적 미세 밸런싱은 자이로스코프의 정상 동작 및 수명 동안 발생하는 동작 불균형을 효과적으로 상쇄할 수 있다. According to the present disclosure, a first set of digitally controlled balancing electrodes applies a first static balancing voltage that produces a static electrostatic balancing force to lower the frequency f H by? F + f 0 . Thus, rather than an attempt to remove the frequency division Δf as previously known to simply lower the frequency f H to match the frequency f L, by balancing the electrodes of the first set of additional frequency offset to be applied to the high-frequency mode f H f 0 . According to the present disclosure, a second set of digitally controlled balancing electrodes are used to lower the frequency f L by the same small frequency offset f 0 . This shifts both the high frequency mode f H and the low frequency mode f L to a new frequency position where frequency balancing can now be applied by a small frequency offset f 0 . Static balancing providing a Δf and f 0 It is noted that it is very difficult and very non-linear (non-linear) is obtained exactly in the analog domain. The second set of balancing electrodes is also used to dynamically apply the fine balancing voltage to the finer frequency adjustment 隆 f obtained, as compared to the prior art frequency balancing scheme, which is now applied with respect to the frequency offset f 0 . Dynamic fine balancing (performed in the analog or digital domain) uses the same second set of electrodes as is used to apply the small frequency offset f 0 to the low frequency mode f L. This ensures that the resolution of the dynamic balancing is improved regardless of the magnitude of the first static balancing voltage applied to eliminate the frequency division [Delta] f. This dynamic fine balancing can effectively counteract the motion imbalance that occurs during normal operation and lifetime of the gyroscope.

다양한 예시들에서, 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들에 의해 인가되는 제1 정적 밸런싱 전압보다 더 작은 제2 정적 밸런싱 전압을 인가하도록 배치된다. 작은 주파수 오프셋 f0이 의미하는 것은 주파수 오프셋 f0이 주파수 스플릿 Δf에 비교할 때 작다는 것이다. 그러므로, 많은 예시들에서 f0<Δf이고, 바람직하게는 f0<<Δf인 것이 이해될 것이다. 동적 미세 밸런싱은 정상 동작 중에 기대되는 변동의 범위에 대해서만 보정할 필요가 있기 때문에, 주파수 오프셋 f0는 주파수 분할 Δf에 비교할 때 매우 작을 수 있다. 일부 예시에서, f0은 대략적으로 Δf/5, Δf/6, Δf/7, Δf/8, Δf/9, Δf/10 또는 Δf/10보다 더 작게 선택된다. 주파수 오프셋 f0이 더 작을 수록, 분해능은 더 좋아진다. 미세 주파수 조정 ±δf의 이용 가능한 범위는 주파수 오프셋 f0에 동일한 최대값까지이다. In various examples, the second set of capacitive balancing electrodes are arranged to apply a second static balancing voltage that is less than the first static balancing voltage applied by the first set of capacitive balancing electrodes. What the small frequency offset f 0 means is that the frequency offset f 0 is small when compared to the frequency splitting? F. Therefore, it will be understood that in many instances f 0 &lt; f, and preferably f 0 &lt; Since the dynamic fine balancing needs to be corrected only for the range of fluctuations expected during normal operation, the frequency offset f 0 may be very small when compared to the frequency division Δf. In some examples, f 0 is selected to be approximately less than Δf / 5, Δf / 6, Δf / 7, Δf / 8, Δf / 9, Δf / 10 or Δf / 10. The smaller the frequency offset f 0 , the better the resolution. The usable range of the fine frequency adjustment ± δf is up to a maximum value equal to the frequency offset f 0 .

다양한 예시들에서, 제2 세트의 디지털로 제어되는 용량성 밸런싱 전극들은 미세 주파수 조정 ±δf를 제공하는 동적 정전 밸런싱 힘을 생성하는 미세 밸런싱 전압을 동적으로 인가하도록 동적으로 제어된다. 일부 예시들에서, 자이로스코프는 제2 세트의 디지털적으로 제어되는 용량성 밸런싱 전극들에 연결되고 미세 주파수 조정 ±δf를 적용하기 위해 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들을 동적으로 제어하도록 배치된 디지털 제어 회로를 포함할 수 있다. 일부 예시들에서, 자이로스코프는 제2 세트의 디지털적으로 제어되는 용량성 밸런싱 전극들에 연결되고 미세 주파수 조정 ±δf를 제공하기 위해 제2 세트의 용량성 밸런싱을 동적으로 제어하도록 배치된 아날로그 신호 제어 회로를 포함할 수 있다. 다양한 예시들에서, 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들과 독립적으로 제어된다. 예를 들어, 자이로스코프는 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들에 독립적으로 제2 세트의 디지털적으로 제어되는 용량성 밸런싱 전극들을 제어하도록 배치된 디지털 제어 시스템을 포함할 수 있다. 이하에 더욱 논의되는 바와 같이, 제1 세트 및 제2 세트의 밸런싱 전극들은 그들의 각도 위치를 제외하고는 물리적으로 동일할 수 있다. In various examples, the second set of digitally controlled capacitive balancing electrodes is dynamically controlled to dynamically apply a fine balancing voltage that produces a dynamic electrostatic balancing force that provides a fine frequency adjustment &lt; RTI ID = 0.0 &gt; In some examples, the gyroscope is coupled to a second set of digitally controlled capacitive balancing electrodes and is adapted to dynamically control a second set of capacitive balancing electrodes to apply a fine frequency adjustment &lt; RTI ID = 0.0 &gt; And a control circuit. In some examples, the gyroscope is coupled to a second set of digitally controlled capacitive balancing electrodes and configured to provide an analog signal &lt; RTI ID = 0.0 &gt; And a control circuit. In various examples, the second set of capacitive balancing electrodes are independently controlled with the first set of capacitive balancing electrodes. For example, the gyroscope may include a digital control system arranged to control a second set of digitally controlled capacitive balancing electrodes independently of the first set of capacitive balancing electrodes. As discussed further below, the first and second sets of balancing electrodes may be physically identical except for their angular position.

하나 이상의 예시에서, 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 밸런싱 전극들의 4개의 그룹들을 포함하고, 상기 4개의 그룹들은 환형 공진기 주변에 등각으로 이격, 즉 서로에 대해 90°로, 되어 있다. 일반적으로, 4개의 그룹들은 각자 n/2 또는 n개의 밸런싱 전극들을 포함한다. 각 그룹 내의 하나 이상의 밸런싱 전극들은 동일한 전압을 인가하기 위해 서로 연결된다. 이들 4개의 그룹들의 밸런싱 전극들 중 하나는 고주파 모드 fH의 축과 정렬되거나, 이를 가로지르거나 또는 이에 인접한다. 주 축을 따라 여기되는 제1 cos 2θ의 예에 대해, 4개의 그룹들 각자는 하나 또는 두 개의 밸런싱 전극들을 갖고, 즉 모두 4 또는 8개의 전극들을 갖는다. In at least one example, the first set of capacitive balancing electrodes comprises four groups of balancing electrodes, the four groups being conformally spaced around the annular resonator, i. In general, the four groups each include n / 2 or n balancing electrodes. One or more balancing electrodes in each group are connected to each other to apply the same voltage. One of the balancing electrodes of these four groups is aligned with, crosses, or is adjacent to the axis of the high frequency mode f H. For an example of the first cos 2? Excited along the major axis, each of the four groups has one or two balancing electrodes, i. E., All four or eight electrodes.

하나 이상의 예시에서, 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 밸런싱 전극들의 4개의 그룹들을 포함하고, 상기 4개의 그룹들은 환형 공진기 주변에 등각으로 이격, 즉 서로에 대해 90°로, 되어 있다. 일반적으로, 4개의 그룹들은 각자 n/2 또는 n개의 밸런싱 전극들을 포함한다. 각 그룹 내의 하나 이상의 밸런싱 전극들은 동일한 전압을 인가하기 위해 서로 연결된다. 이들 4개의 그룹들의 밸런싱 전극들 중 하나는 저주파 모드 fL의 축과 정렬되거나, 이를 가로지르거나 또는 이에 인접한다. 2차 축을 따라 유도되는 제2 cos 2θ의 예에 대해, 4개의 그룹들 각자는 하나 또는 두 개의 밸런싱 전극들을 갖고, 즉 모두 4 또는 8개의 전극들을 갖는다. In at least one example, the second set of capacitive balancing electrodes comprises four groups of balancing electrodes, the four groups being conformally spaced around the annular resonator, i. In general, the four groups each include n / 2 or n balancing electrodes. One or more balancing electrodes in each group are connected to each other to apply the same voltage. One of the balancing electrodes of these four groups is aligned with, crosses, or is adjacent to the axis of the low frequency mode f L. For an example of the second cos 2? Induced along the secondary axis, each of the four groups has one or two balancing electrodes, i.e., all four or eight electrodes.

cos 2θ 공진의 예에 대해, 여기에서 개시된 바와 같이 자이로스코프는 동적 정전 밸런싱 힘들을 환형 공진기에 적용하기 위해 잠재적으로 16개의 용량성 밸런싱 전극들을 모두 사용하는 반면, 선행 기술의 정전 밸런싱 스킴에서는, 16개의 밸런싱 전극들 중 오직 8개만이 임의의 한 시점에 사용된다. For an example of cos 2 &amp;thetas;, as described herein, the gyroscope uses potentially all 16 capacitive balancing electrodes to apply dynamic electrostatic balancing forces to an annular resonator while in prior art electrostatic balancing schemes 16 Only eight of the balancing electrodes are used at any one time.

하나 이상의 실시예에서, 구동 전극들은 제1 및/또는 제2 세트의 밸런싱 전극들에 독립적으로 제어된다. 일부 예시들에서 구동 전극들은 아날로그 여기 전압을 인가하도록 배치될 수 있다. 일부 예시들에서 구동 전극들은 디지털적으로 제어되는 여기 전압을 인가하도록 배치될 수 있다. 용량성 구동 전극들의 세트는 적절한 디지털 제어 회로에 연결될 수 있다. 용량성 구동 전극들의 세트는 환형 공진기의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. In at least one embodiment, the drive electrodes are controlled independently of the first and / or second set of balancing electrodes. In some instances, the driving electrodes may be arranged to apply an analog excitation voltage. In some examples, the driving electrodes may be arranged to apply a digitally controlled excitation voltage. The set of capacitive driving electrodes may be coupled to an appropriate digital control circuit. The set of capacitive driving electrodes may be disposed inside or outside the annular resonator.

하나 이상의 예시들에서, 자이로스코프는 제2 주파수 fS를 나타내는 전압을 센싱함으로써, 유도된 제2 cos nθ 공진을 측정하기 위해 배치된 용량성 센싱 전극들의 세트를 더 포함한다. 이것은 자이로스코프가 인가된 각도 비율(angular rate)을 결정할 수 있도록 한다. 개방 루프(open loop) 동작에서, 용량성 센스 전극들은 제2 주파수 fS를 나타내는 전압을 직접적으로 센스할 수 있다. 폐쇄 루프(closed loop) 동작에서, 용량성 센스 전극들은 제2 cos θ 공진을 무효로 하기 위해 피드백 신호를 제공할 수 있다. 구동 전극들은 따라서 제1 및 제2 구동 전극들을 포함할 수 있다. 이러한 폐쇄 루프 동작은 잘 알려져 있고, 예를 들어 US 6,282,958에 설명되는 바와 같이, 그 내용은 참조로서 여기에 통합된다. 용량성 센스 전극들의 세트는 환형 공진기의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. In one or more examples, the gyroscope further includes a set of capacitive sensing electrodes arranged to measure the induced second cos n? Resonance by sensing a voltage representing a second frequency f S. This allows the gyroscope to determine the applied angular rate. In an open loop operation, the capacitive sense electrodes can directly sense the voltage representing the second frequency f S. In closed loop operation, the capacitive sense electrodes may provide a feedback signal to disable the second cos θ resonance. The driving electrodes may thus comprise first and second driving electrodes. Such closed loop operation is well known and its content is incorporated herein by reference, for example as described in US 6,282,958. The set of capacitive sense electrodes can be placed inside or outside the annular resonator.

다양한 예시들에서, 진동 구조 자이로스코프는 각 세트의 용량성 전극들에 연결되는 디지털 제어 회로를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 디지털 제어 회로가 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들에 연결될 수 있고 적어도 하나의 다른 디지털 제어 회로가 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들에 연결될 수 있다. 디지털 제어 회로들은 제1 및 제2 세트들의 용량성 밸런싱 전극들을 독립적으로 제어하기 위해 연결될 수 있다. 각 디지털 제어 회로는 밸런싱 전압들을 발생시키도록 배치된 디지털-아날로그 변환기(DAC), 예를 들어 디지털적으로 제어되는 밸런싱 전압들을 생성시키기 위해 배치된 8비트(또는 그 이상의, 예를 들어 16비트) DAC, 를 포함할 수 있다. In various examples, a vibrating structure gyroscope may include a digital control circuit coupled to each set of capacitive electrodes. At least one digital control circuit may be coupled to the first set of capacitive balancing electrodes and at least one other digital control circuit may be coupled to the second set of capacitive balancing electrodes. The digital control circuits may be coupled to independently control the first and second sets of capacitive balancing electrodes. Each digital control circuit includes a digital-to-analog converter (DAC) arranged to generate balancing voltages, e.g., 8-bit (or higher, e.g., 16-bit) DAC, &lt; / RTI &gt;

하나 이상의 예시들에서, 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 DAC에 연결되고, 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 또 다른 독립적으로 제어되는 DAC에 연결된다. 위에서 개시된 바와 같이, 제1 세트는 4개의 그룹을 포함할 수 있고 각 그룹은 2개의 독립적으로 제어되는 밸런싱 전극들을 포함할 수 있다. 이러한 예시들에서, 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 제1 및 제2 DAC들에 연결된다. 위에서 또한 개시된 바와 같이, 제2 세트는 4개의 그룹을 포함할 수 있고 각 그룹은 2개의 독립적으로 제어되는 밸런싱 전극들을 포함할 수 있다. 이러한 예시들에서, 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 제3 및 제4 DAC들에 연결된다. 이러한 예시들에서 4개의 각 그룹에 인가되는 전압들이 조정될 수 있도록 하는 4개의 독립적으로 제어 가능한 DAC들이 있다. In one or more examples, a first set of capacitive balancing electrodes is coupled to the DAC, and a second set of capacitive balancing electrodes is coupled to another independently controlled DAC. As described above, the first set may comprise four groups and each group may comprise two independently controlled balancing electrodes. In these examples, a first set of capacitive balancing electrodes is coupled to the first and second DACs. As also described above, the second set may comprise four groups and each group may comprise two independently controlled balancing electrodes. In these examples, a second set of capacitive balancing electrodes are coupled to the third and fourth DACs. In these examples there are four independently controllable DACs that allow the voltages applied to each of the four groups to be adjusted.

용량성 구동 전극들의 각도 위치는 주 축을 정의하기 위해 사용될 수 있다는 것은 이해될 수 있다. 용량성 밸런싱 전극들 각각의 각도 위치는 주 축에 대해 정의, 예를 들어 환형 공진기 주변으로 360°까지 각을 두고 이동하거나 또는 ±180°로, 될 수 있다. 일부 예시들에서, 자이로스코프는 4개로 된 밸런싱 전극들의 그룹들이 환형 공진기 주변으로 동등하게 이격된 각도 위치들에 있고, 4개의 그룹들은 서로에 대해 90°로 이격된, N개(예를 들어, N=16)의 용량성 밸런싱 전극들을 포함할 수 있다. 이러한 4개의 그룹들의 밸런싱 전극들 중 하나 이상의 밸런싱 전극들은 각각의 제1 및 제2 세트의 밸런싱 전극들을 제공한다. N개의 용량성 밸런싱 전극들은 환형 공진기의 내부 및/또는 외부에 배치될 수 있다. 밸런싱 전압 및 주파수 조정 사이에는 제곱된(squared) 관계가 있으므로, 환형 공진기와 관련하여 인가된, 즉 환형 공진기 내부 또는 외부에 위치된 밸런싱 전극에 인가된, 전압이 양(positive)인지 음(negative)인지는 중요하지 않다. It can be appreciated that the angular position of the capacitive drive electrodes can be used to define the major axis. The angular position of each of the capacitive balancing electrodes may be defined relative to the major axis, for example at an angle of up to 360 [deg.] Or around 180 [deg.] Around the annular resonator. In some examples, the gyroscope includes groups of four balancing electrodes at angular positions equally spaced around the annular resonator, the four groups having N (e.g., &lt; RTI ID = 0.0 &gt; N = 16) capacitive balancing electrodes. One or more balancing electrodes of the four groups of balancing electrodes provide respective first and second sets of balancing electrodes. N capacitive balancing electrodes may be disposed inside and / or outside the annular resonator. Since there is a squared relationship between the balancing voltage and the frequency adjustment, the voltage applied in relation to the annular resonator, i.e. applied to the balancing electrode located inside or outside of the annular resonator, is positive or negative, Cognition is not important.

N개의 용량성 밸런싱 전극들은 정적 밸런싱 전압을 인가하는데 사용할 수 있는 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들을 제공하기 위해 환형 공진기 주변으로 동일하게 이격된 N/2 또는 N/4개의 밸런싱 전극들을 포함할 수 있다. N개의 용량성 밸런싱 전극들은 미세 밸런싱 전압을 인가하는데 사용할 수 있는 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들을 제공하기 위해 환형 공진기 주변에 동일하게 이격된 또 다른 N/2 또는 N/4개의 밸런싱 전극들을 포함할 수 있다. 위에서 개시되는 바와 같이, 제1 및 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들 각각은 4개의 그룹들의 밸런싱 전극들을 포함하고, 4개의 그룹들은 환형 공진기 주변에서 등각으로 이격, 즉 서로에 대해 90°로, 된다. 각 그룹은 동일한 전압을 인가하기 위해 전기적으로 함께 연결된 하나, 둘 또는 그 이상의 밸런싱 전극들을 포함할 수 있다. The N capacitive balancing electrodes may include N / 2 or N / 4 balancing electrodes equally spaced around the annular resonator to provide a first set of capacitive balancing electrodes that can be used to apply a static balancing voltage have. The N capacitive balancing electrodes include another N / 2 or N / 4 balancing electrodes equally spaced around the annular resonator to provide a second set of capacitive balancing electrodes that can be used to apply a fine balancing voltage can do. As described above, each of the first and second sets of capacitive balancing electrodes comprises four groups of balancing electrodes, and the four groups are equally spaced around the annular resonator, that is, at 90 [deg.] With respect to each other, do. Each group may comprise one, two or more balancing electrodes electrically connected together to apply the same voltage.

일부 예시들에서 용량성 구동 전극들의 세트는 주 축을 따라 제1 cos2θ 공진을 여기하도록 정전 구동력을 생성시키는 전압을 인가하도록 배치된다. 이러한 예시들에서 자이로스코프는 4개의 밸런싱 전극들을 갖는 4개의 그룹들로 되고, 상기 4개의 그룹들은 서로에 대해 90°로 이격된, 환형 공진기 주변에 동일하게 이격된 각도 위치들에 있는 16개의 용량성 밸런싱 전극들을 포함할 수 있다. 이러한 예시들에서 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 4개의 그룹들 각각에 4개 중 하나 또는 두개의 밸런싱 전극들로 구성되고, 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 4개의 그룹들 각각에 4개 중 또 다른 하나 또는 두개의 밸런싱 전극들로 구성된다. In some examples, the set of capacitive driving electrodes are arranged to apply a voltage that generates an electrostatic driving force to excite the first cos 2? Resonance along the major axis. In these examples, the gyroscope is made up of four groups with four balancing electrodes, the four groups having 16 capacitances at equally spaced angular positions around the annular resonator, spaced 90 [deg. Sex-balancing electrodes. In these examples, the first set of capacitive balancing electrodes is comprised of one or two of the four balancing electrodes in each of the four groups, and the second set of capacitive balancing electrodes is comprised of four Lt; RTI ID = 0.0 &gt; and / or &lt; / RTI &gt; two balancing electrodes.

하기의 논의에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, N개의 밸런싱 전극들 중 어느 것이 제1 세트에 속하고 어느 것이 제2 세트에 속하는지는 미리 결정된다기 보다는 동적으로 결정된다. N개의 밸런싱 전극들 중에서 밸런싱 전극들의 4개의 그룹들은 어느 주어진 시간 시점에서 제1 세트 또는 제2 세트에 속할 수 있다. 일부 예시들에서 자이로스코프는 임의의 주어진 시간 시점에서 용량성 밸런싱 전극들의 4개의 그룹들 중 어떤 것이 제1 세트를 제공하고 용량성 밸런싱 전극들의 4개의 그룹들 중 어떤 것이 제2 세트를 제공하는지를 결정하도록 배치된 디지털 제어 시스템을 포함한다. 제1 세트 및 제2 세트의 밸런싱 전극들은 상호 배타적이다. As can be understood from the discussion below, it is dynamically determined which one of the N balancing electrodes belongs to the first set and which belongs to the second set rather than a predetermined one. Of the N balancing electrodes, the four groups of balancing electrodes may belong to the first set or the second set at any given time instant. In some instances the gyroscope determines at any given time point which of the four groups of capacitive balancing electrodes provides the first set and which of the four groups of capacitive balancing electrodes provides the second set And a digital control system arranged to control the operation of the system. The first and second sets of balancing electrodes are mutually exclusive.

일부 예시들에서, 주 축에 대한 고주파 모드 fH의 각도 위치 α는 변화하지 않을 수 있고 그리고는 용량성 밸런싱 전극들의 4개의 그룹들 중 어떤 것이 제1 세트를 제공하고 용량성 밸런싱 전극들의 4개의 그룹들 중 어떤 것이 제2 세트를 제공하는지는 변화하지 않는다. In some instances, the angular position alpha of the high frequency mode f H for the primary axis may not change and then one of the four groups of capacitive balancing electrodes provides the first set and four of the capacitive balancing electrodes It does not matter which of the groups provides the second set.

일부 예시들에서, 주파수 분할을 제거하기 위해 사용되는 용량성 밸런싱 전극들은 주어진 자이로스코프의 수명의 주어진 시점에서 결정될 수 있다. 이 결정은 주 축에 대한 고주파 모드 fH의 각도 위치 α에 따라 달라질 수 있다. 각도 위치 α는 변형 고리(deforming annulus)의 이론적인 경우에 비교될 때 링(ring)이 물리적으로 변형되는 방식에 따라 변화할 수 있는 변수이다. 따라서 자이로스코프는 주 축에 대해 고주파 모드 fH의 각도 위치를 결정하도록 배치된 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 N개의 밸런싱 전극들 중에서 4개의 그룹들의 어떤 것이 각도 위치 α에 기초하여 임의의 주어진 시간 시점에서 제1 세트 및 제2 세트를 각각 제공하는지를 결정할 수 있다. 일부 예시들에서, 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 밸런싱 전극들의 4개의 그룹들 중 적어도 하나가 고주파 모드 fH의 축에 정렬되거나, 이를 가로지르거나 또는 이에 인접하도록 선택된다. 일부 예시들에서, 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 밸런싱 전극들의 4개의 그룹들 중 적어도 하나가 저주파 모드 fL의 축에 정렬되거나, 이를 가로지르거나 또는 이에 인접하도록 선택된다. In some instances, capacitive balancing electrodes used to eliminate frequency division may be determined at a given point in time of the life of a given gyroscope. This crystal can be varied depending on the angular position alpha of the high frequency mode f H with respect to the main axis. The angular position α is a variable that can change depending on how the ring is physically deformed when compared to the theoretical case of the deforming annulus. The gyroscope may thus include a control system arranged to determine the angular position of the high frequency mode f H with respect to the primary axis. The control system can determine which of the four groups of the N balancing electrodes provides the first set and the second set, respectively, at any given time instant based on the angular position a. In some instances, the first set of capacitive balancing electrodes is selected such that at least one of the four groups of balancing electrodes is aligned, crossed, or adjacent to the axis of the high-frequency mode f H. In some examples, the second set of capacitive balancing electrodes are selected such that at least one of the four groups of balancing electrodes is aligned, crossed, or adjacent to an axis of the low-frequency mode f L.

일부 예시들에서, 고주파 모드 fH는 주 축과 정렬되어 α=0이 된다. 이러한 예시들에서 고주파 및 저주파 모드들은 정적 밸런싱 전압을 주 축과 정렬되는 제1 세트의 밸런싱 전극에 인가함으로써 밸런스, 즉 fH'가 fL'에 맞춰지는, 를 이룰 수 있다. 대안적으로, 이러한 예시들에서 고주파 및 저주파 모드들은 정적 밸런싱 전압을 주 축에 대해 주 축을 가로지르거나 이에 인접한, 예를 들어 ±90°/4n에 위치된, 예컨데 cos2θ 공진에 대해 ±11.25°인, 제1 세트의 밸런싱 전극들의 쌍에 인가함으로써 밸런스, 즉 fH'가 fL'에 맞춰지는, 를 이룰 수 있다. 이것은 주 축을 따라 정적 정전 밸런싱 힘을 분해(resolve)하는 것이 가능하게 한다. In some examples, the high-frequency mode f H is aligned with the main axis to become alpha = 0. In these examples, the high and low frequency modes can be achieved by applying a static balancing voltage to the first set of balancing electrodes aligned with the primary axis, i.e., the balance, f H ', is adjusted to f L '. Alternatively, in these examples, the high and low frequency modes may be selected such that the static balancing voltage is within ± 11.25 ° of the cos 2θ resonance, eg, located at ± 90 ° / 4n across or adjacent the major axis with respect to the major axis , So that the balance, i.e., f H ', is adjusted to f L ' by applying it to the pair of balancing electrodes of the first set. This makes it possible to resolve the static electrostatic balancing force along the major axis.

일부 예시들에서 고주파 모드 fH는 주 축과 정렬되지 않아서 α는 0이 아닌 값을 갖는다. 이러한 예시들에서 고주파 모드 fH는 주 축에 대해 각도 α에 있어서 제1 주파수 fP 및 제2 주파수 fS는 다음과 같이 정의될 수 있다: In some instances, the high frequency mode fH is not aligned with the major axis, so that alpha has a non-zero value. In these examples, the high frequency mode f H can be defined at an angle a with respect to the principal axis, the first frequency f P and the second frequency f S as follows:

Figure pat00001
Figure pat00001

And

Figure pat00002
Figure pat00002

이러한 예시들에서 고주파 및 저주파 모드들은 정적 밸런싱 전압을 주 축에 대해 각도 위치 α로 정렬된 제1 세트의 밸런싱 전극에 인가함으로써 밸런스, 즉 fH'가 fL'에 맞춰지는, 를 이룰 수 있다. 대안적으로 이러한 예시들에서 고주파 및 저주파 모드들은 정적 밸런싱 전압을 각도 위치 α를 가로지르거나 이에 인접한, 예를 들어 ±90°/4n에 위치된, 예컨데 cos2θ 공진에 대해 ±11.25°인, 제1 세트의 밸런싱 전극들의 쌍에 인가함으로써 밸런스, 즉 fH'가 fL'에 맞춰지는, 를 이룰 수 있다.In these examples, the high and low frequency modes can be achieved by applying a static balancing voltage to the first set of balancing electrodes aligned with the angular position alpha with respect to the major axis, i.e., f H 'is adjusted to f L ' . Alternatively, in these examples, the high and low frequency modes may have a static balancing voltage across the angular position alpha or adjacent thereto, e.g., +/- 90 deg. / 4n, e.g., +/- 11.25 deg. by applying a pair of balancing electrode of the set balance, i.e., f H 'is f L' being in line with, can be achieved.

α=22.5°(2α=45°)인 경우에 대해, sin2α 및 cos2α의 컴포넌트들은 같고, 따라서 주 축 진동 및 2차 축 진동 모두는 비록 0이 아닌 주파수 분할이 있을 지라도 동일한 중간 주파수에서 공진하는 것처럼(두 모드들의 중첩 때문에) 보인다. 이 경우에 고주파 및 저주파 모드들은 미세 밸런싱 전압을 cos2θ 공진에 대해 주 축으로부터 22.5±45°, 즉 -22.5° 또는 67.5°,에 위치한 , 제2 세트의 밸런싱 전극에 인가함으로써 밸런스, 즉 fH'가 fL'에 유지되는, 를 이룰 수 있다.For the case of α = 22.5 ° (2α = 45 °), the components of sin2α and cos2α are equal, so that both the main axis vibration and the secondary axis vibration resonate at the same intermediate frequency, (Due to the overlapping of the two modes). In this case the high frequency and low frequency modes are balanced by applying a fine balancing voltage to the second set of balancing electrodes located at 22.5 ± 45 °, or -22.5 ° or 67.5 °, from the main axis for cos 2θ resonance, ie, f H ' Is maintained at f L '.

일부 예들에서 고주파 모드 fH는 2차 축과 정렬되서 α=45°가 된다. 이러한 예시들에서 고주파 및 저주파 모드들은 정적 밸런싱 전압을 2차 축과 정렬되는 제1 세트의 밸런싱 전극에 인가함으로써 밸런스, 즉 fH'가 fL'에 유지되는, 를 이룰 수 있다. 대안적으로, 이러한 예시들에서 고주파 및 저주파 모드들은 정적 밸런싱 전압을 2차 축에 대해 2차 축을 가로지르거나 이에 인접한, 예를 들어 ±90°/4n에 위치된, 예컨데 cos2θ 공진에 대해 ±11.25°인, 제1 세트의 밸런싱 전극들의 쌍에 인가함으로써 밸런스, 즉 fH'가 fL'에 유지되는, 를 이룰 수 있다. 이것은 2차 축을 따라 정적 정전 밸런싱 힘을 분해(resolve)하는 것이 가능하다. In some instances, the high-frequency mode f H is aligned with the secondary axis, resulting in α = 45 °. In these examples, the high and low frequency modes can achieve a balance, i.e., f H 'is maintained at f L ' by applying a static balancing voltage to the first set of balancing electrodes aligned with the secondary axis. Alternatively, in these examples, the high frequency and low frequency modes may be set such that the static balancing voltage crosses or is adjacent to the secondary axis with respect to the secondary axis, e.g., ± 90 ° / 4n, for example ± 11.25 The balance, i.e., f H ', is maintained at f L ' by applying the first set of balancing electrodes to the pair of balancing electrodes. It is possible to resolve the static electrostatic balancing force along the secondary axis.

하나 이상의 비제한적인 예시들이 단지 예로써, 그리고 첨부된 도면들을 참조하여 이제 설명될 것이다:
도 1은 코리올리-형 진동 구조 자이로스코프에 대한 주(primary) 그리고 2차 진동 축들을 개략적으로 도시한다;
도 2는 전형적인 콜리올리-형 진동 구조 자이로스코프에 대한 잔류 주파수 분할을 도시한다;
도 3a 내지 3c는 종래 기술에 따른 진동 구조 자이로스코프에서 어떻게 정전 주파수 밸런싱이 구현되는지를 개략적으로 도시한다;
도 4a 내지 4d는 본 개시의 예에 따른 진동 구조 자이로스코프에서 어떻게 정전 주파수 밸런싱이 구현되는지를 개략적으로 도시한다;
도 5는 한 쌍의 밸런싱 전극들이 구동 축을 가로지르는(straddling) 진동 구조 자이로스코프에서 용량성 전극들의 제1 예시적인 배치를 제공한다;
도 6은 밸런싱 전극이 구동 축과 정렬된(aligned) 진동 구조 자이로스코프에서 용량성 전극들의 제2 예시적인 배치를 제공한다;
도 7은 디지털로-제어되는 전압에 대한 밸런스 주파수 관계를 도시한다;
도 8은 동적 주파수 시프트의 함수로서 주파수 시프트 분해능을 도시한다;
One or more non-limiting examples will now be described, by way of example only, and with reference to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 schematically shows the primary and secondary vibration axes for a Coriolis-type vibrating structural gyroscope;
Figure 2 shows the residual frequency division for a typical collision-type oscillatory structure gyroscope;
Figures 3A-3C schematically illustrate how electrostatic frequency balancing is implemented in a vibrating structural gyroscope according to the prior art;
Figures 4A-4D schematically illustrate how electrostatic frequency balancing is implemented in a vibrating structural gyroscope according to an example of this disclosure;
Figure 5 provides a first exemplary arrangement of capacitive electrodes in a vibrating structure gyroscope in which a pair of balancing electrodes straddle the drive axis;
Figure 6 provides a second exemplary arrangement of capacitive electrodes in a vibrating structural gyroscope in which the balancing electrode is aligned with the drive axis;
Figure 7 shows the balance frequency relationship for a digitally-controlled voltage;
Figure 8 shows frequency shift resolution as a function of dynamic frequency shift;

주 축(P)를 따라 여기된 제1 cos 2θ 공진(2) 및 주 축(P)에 대해 45°에서 2차 축(S)를 따라 코리올리-유도된 제2 cos 2θ 공진(4)을 갖는 환형 공진기가 도 1에 개략적으로 도시된다. 기하학적으로 완벽한 공진기의 경우에, 주파수 분할이 없고 밸런싱은 요구되지 않는다. 실제로는, 환형 공진기의 불완전한 기하학적 구조는 유감스럽게도 제1 cos 2θ 공진(2)의 제1 주파수 fP가 고주파 모드 fH 및 직교하는 저주파 fL의 중첩이 되는 결과를 초래한다. Having a first cos 2? Resonance 2 excited along the main axis P and a second cos 2? Resonance 4 coriolis-induced along the second axis S at 45 ° to the main axis P An annular resonator is schematically illustrated in Fig. In the case of a geometrically perfect resonator, there is no frequency division and no balancing is required. In practice, the incomplete geometry of the annular resonator unfortunately results in the first frequency f P of the first cos 2? Resonance 2 being superimposed on the high frequency mode f H and the orthogonal low frequency f L.

도 2는 14kHz의 공칭 주파수에서 구동되는 제1 cos 2θ 공진을 갖는 실리콘 MEMS 진동 구조 자이로스코프에 대한 현실의 일 예를 도시한다. 고주파 모드(HFM) 및 저주파 모드(LFM)의 주파수들 사이에는 0.424Hz의 분할이 있다. 이 예에서, α=0°이다. Figure 2 shows an example of the reality for a silicon MEMS vibratory structure gyroscope with a first cos 2 [theta] resonance driven at a nominal frequency of 14 kHz. There is a division of 0.424 Hz between the frequencies of the high frequency mode (HFM) and the low frequency mode (LFM). In this example, α = 0 °.

본 개시의 예시들에 따른 진동 구조 자이로스코프는 도 5 또는 도 6에서 도시되는 것과 같은 용량성 전극 배치를 포함할 수 있다. 환형 공진기(6)는 8개의 용량성 구동 또는 감지 전극들(8)의 세트에 의해 외부에서 둘러싸인다. 환형 공진기(6)는 4개의 세트로 그룹화된 16개의 용량성 밸런싱 전극들(10)의 세트에 의해 내부에서 둘러싸인다. 도 5 및 6에서 용량성 밸런싱 전극들(10)은 주 축(P) 및 2차 축(S)에 대해 상이한 각도 위치를 가지나 제어 논리는 동일하다. 동작시에, 정적(static) 또는 디지털적으로 제어되는 밸런싱 전압들은 16개의 용량성 밸런싱 전극들(10) 중 4개로 된 그룹 중 그 어느 것에도 독립적으로 인가될 수 있다. 이러한 자이로스코프의 동작 원리는 예를 들어 US 7,637,156에 개시되어 있고, 그 내용은 그 전체가 참조로서 여기에 통합된다. The vibrating structural gyroscope according to the examples of this disclosure may comprise a capacitive electrode arrangement as shown in Fig. 5 or Fig. The annular resonator 6 is externally surrounded by a set of eight capacitive driving or sensing electrodes 8. The annular resonator 6 is surrounded internally by a set of 16 capacitive balancing electrodes 10 grouped into four sets. In Figures 5 and 6, the capacitive balancing electrodes 10 have different angular positions for the main axis P and the secondary axis S, but the control logic is the same. In operation, static or digitally controlled balancing voltages may be independently applied to any of four groups of sixteen capacitive balancing electrodes 10. The operation principle of such a gyroscope is disclosed, for example, in US 7,637,156, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.

종래 기술에 따른 정전 주파수 밸런싱 스킴에서, 잔류 주파수 분할 Δf=fH- fL 동작 중에 감지되고(도 3a), 그리고는 fH를 낮추어서 fL에 맞추도록 정적 밸런싱 -Δf가 인가된다(도 3b). 제1 세트의 전극들, 즉 도 5 및 6에서 도시되는 16개의 전극들 중 4개로 된 그룹, 은 정적 밸런싱 전압을 인가하기 위해 사용된다. 자이로스코프의 수명 동안 fH fL 사이의 편차를 처리하기 위해, fH fL에 맞추어지도록 고주파 모드 fH에 동적 밸런싱 조정 ±δf가 적용될 수 있다. 하지만, 고주파 모드 fH를 조정하기 위해 정전 밸런싱 힘(force)을 생성하는 전압을 디지털적으로 제어할 때, 밸런싱 효과의 분해능은 전압 차이가 증가함에 따라 감소한다. In the electrostatic frequency balancing scheme according to the prior art, the residual frequency division? F = f H - f L is Detected during the operation is (Fig. 3a), and is applied to a static balancing -Δf to match the f H f lowers to L (Fig. 3b). A first set of electrodes, i.e., a group of four of the sixteen electrodes shown in Figures 5 and 6, is used to apply a static balancing voltage. During the lifetime of the gyroscope, f H and To deal with the deviation between f L , f H The dynamic balancing adjustment δf can be applied to the high frequency mode f H to match f L. However, when digitally controlling the voltage that generates the electrostatic balancing force to adjust the high frequency mode f H , the resolution of the balancing effect decreases as the voltage difference increases.

본 개시의 일 예에 따른 정전 주파수 밸런싱 스킴에서, 도 4a 내지 4d에서 도시된 바와 같이, 동적 밸런싱 이전에 적용되는 부가적인 오프셋 밸런스가 있다. 이전과 동일하게, 잔류 주파수 분할 Δf=fH-fL 동작 중에 검출되고(도 4a), 그리고는 fH를 낮추어서 fL에 맞추도록 정적 밸런싱 -Δf가 인가된다(도 4b). 제1 세트의 전극들, 즉 도 5 및 도 6에서 도시되는 16개의 전극들 중 4개로 된 그룹, 은 정적 밸런싱 전압을 인가하기 위해 사용된다. 도 4c의 새로운 정적 밸런싱 단계에서, 제1 세트의 전극들을 이용하여, 주파수 fH를 주파수 fL 아래의 오프셋 주파수 fH', 즉 fH'=(Δf+f0)로 낮추도록 부가적인 주파수 오프셋 f0이 적용된다. 제2 세트의 전극들, 즉 도 5 및 6에서 보여지는 16개의 전극들 중 4개로 된 또 다른 그룹, 은 저주파 모드 fL을 낮추기 위해 동일한 주파수 오프셋 f0를 적용하도록 사용되고, 주파수 fL은 또한 동일한 주파수 오프셋 f0에 의해 오프셋 주파수 fL', 즉 fL'=(fL-f0)로 낮춰진다. 주파수 오프셋 f0는 주파수 분할에 비해 작다. 도 4d에서 동적 밸런싱 단계가 그 뒤에 뒤따르면, 동적 밸런싱은 fL'를 fH'로 계속 유지하도록 오프셋 주파수 fL'에 적용되는 미세 주파수 조정 ±δf를 제공한다. 이 미세 주파수 조정 ±δf는 동일하게 제2 세트의 전극들에 적용된다. 미세 주파수 조정 ±δf는 주파수 오프셋 f0의 최대치까지의 어떠한 값도 가질 수 있다. 이 미세 동적 밸런싱은 트림(trim)이 충분히 미세하면 작은 신호 근사치가 적용될 수 있는 것처럼 아날로그 도메인(analogue domain)에서 수행될 수 있다. 이러한 정전 주파수 밸런싱 스킴은 도 5 및 6에 도시되는 16개의 전극들 중 4개로 된 그룹의 적어도 2개, 즉 적어도 8개의 밸런싱 전극, 를 사용하고 4개로 된 각 그룹이 전극의 쌍들을 포함할 때, 일반적으로 밸런싱 전극들의 16개 모두를 사용한다. In the electrostatic frequency balancing scheme according to one example of this disclosure, there is an additional offset balance applied prior to dynamic balancing, as shown in Figs. 4A-4D. As before, the residual frequency division? F = f H -f L Detected during the operation is (Fig. 4a), and is applied to a static balancing -Δf to match the f H f lowers to L (Fig. 4b). A first set of electrodes, i.e., a group of four of the sixteen electrodes shown in Figures 5 and 6, is used to apply a static balancing voltage. In the new static balancing step of Fig. 4 (c), the first set of electrodes are used to adjust the frequency f H to an offset frequency f H 'below the frequency f L , i.e., f H ' = (f + f 0 ) The offset f 0 is applied. The electrodes of the second set, that is, the sixteen electrodes of four other groups shown in Figs. 5 and 6, is used to apply the same frequency offset f 0 to lower the low-frequency mode f L, a frequency f L is also Is reduced to the offset frequency f L ', i.e., f L ' = (f L -f 0 ) by the same frequency offset f 0 . The frequency offset f 0 is smaller than the frequency division. Following the dynamic balancing step in Figure 4d, dynamic balancing provides a fine frequency adjustment ± f applied to the offset frequency f L 'to keep f L ' at f H '. This fine frequency adjustment ± f is applied to the second set of electrodes likewise. The fine frequency adjustment ± δf can have any value up to the maximum of the frequency offset f 0 . This fine dynamic balancing can be performed in the analogue domain as a small signal approximation can be applied if the trim is sufficiently fine. This electrostatic frequency balancing scheme uses at least two groups of four of the sixteen electrodes shown in Figures 5 and 6, i.e. at least eight balancing electrodes, and when each group of four includes pairs of electrodes , Generally all 16 of the balancing electrodes are used.

도 5에서 도시되는 실시예에서, 주 축(P)을 가로지르는(straddling) 한 쌍의 밸런싱 전극들(ESB-11.25 및 ESB11.25)가 있고, 즉 전극들(ESB-11.25 및 ESB11.25) 각각은 주 축(P)에 인접한다. 이것은 동일한 밸런싱 전압을 인가하기 위해 사용되는 4개로 된 전극들의 그룹에서 한 쌍이다. cos 2θ 공진에 대해 α=0인 경우를 들면, 정적 밸런싱 전압은 주 축에 대해 ±11.25°에 있는 제1 세트의 밸런싱 전극들의 쌍에 인가된다. 주파수 오프셋 f0에 대한 더 작은 정적 밸런싱 전압들 및 미세 주파수 조정 ±δf에 대한 미세 밸런싱 전압 모두가 2차 축(S)을 가로지르는 밸런싱 전극들(ESB33.75 및 ESB56.25)의 다른 쌍에 인가되고, 즉 전극들(ESB33.75 및 ESB56.25) 각각은 2차 축(S)에 인접한다. 다시 말하면, 이는 제2 세트를 제공하는 4개의 전극으로 된 그룹에서 한 쌍이다. In the embodiment shown in Figure 5, there is a pair of balancing electrodes ESB-11.25 and ESB11.25 straddling the main axis P, i. E. Electrodes ESB-11.25 and ESB11.25, Each adjacent a main axis P. This is a pair in a group of four electrodes used to apply the same balancing voltage. For cos 2 &amp;thetas;, if &lt; RTI ID = 0.0 &gt; a = 0, &lt; / RTI &gt; the static balancing voltage is applied to a pair of balancing electrodes of the first set at +/- 11.25 degrees with respect to the principal axis. Both smaller static balancing voltages for the frequency offset f 0 and fine balancing voltages for the fine frequency adjustment ± f are applied to the other pair of balancing electrodes (ESB 33.75 and ESB 56.25) across the secondary axis S That is, each of the electrodes ESB33.75 and ESB 56.25 is adjacent to the secondary axis S. In other words, this is a pair in a group of four electrodes providing the second set.

도 6에 도시되는 예에서, 주 축(P)과 정렬된 밸린싱 전극(ESB0)이 있다. 이것은 동일한 밸런싱 전압을 인가하기 위해 사용되는 4개로 된 전극들의 그룹에서 하나이다. cos 2θ 공진에 대해 α=0인 경우를 들면, 정적 밸런싱 전압은 주 축과 정렬된 제1 세트의 밸런싱 전극에 인가된다. 주파수 오프셋 f0에 대한 더 작은 정적 밸런싱 전압들 및 미세 주파수 조정 ±δf에 대한 미세 밸런싱 전압 모두가 2차 축(S)과 정렬된 또 다른 밸런싱 전극(ESB45)에 인가된다. 다시 말하면, 이는 제2 세트를 제공하는 4개의 전극으로 된 그룹에서 하나이다.In the example shown in Fig. 6, there is a balancing electrode ESB0 aligned with the main axis P. This is one in the group of four electrodes used to apply the same balancing voltage. For &lt; RTI ID = 0.0 &gt; cos = 2 &lt; / RTI &gt; resonance, a static balancing voltage is applied to the first set of balancing electrodes aligned with the main axis. Both the smaller static balancing voltages for the frequency offset f 0 and the fine balancing voltages for the fine frequency tuning ± f are applied to another balancing electrode ESB 45 aligned with the secondary axis S. In other words, this is one in the group of four electrodes providing the second set.

보다 일반적으로, 자이로스코프의 동작 중 모드 위치 α, 즉 주 축에 대해 고주파 모드 fH의 각도 위치 α,를 결정하는 디지털 제어 시스템이 있다. 일단 모드 위치 α가 알려지면, 고주파 모드 fH와 정렬된(또는 이를 가로지르거나 인접한) 전극들의 그룹은 정적 밸런싱을 위한 제1 세트를 제공하기 위해 사용된다. 제2 세트의 전극들은 그러므로 저주파 모드 fL과 정렬될(또는 이를 가로지르거나 인접할) 전극들의 다른 그룹들이다. 도 5 및 6을 참조로 하면, 16개의 밸런싱 전극들 중에서 어느 것이 제1 세트로 지정되고, 어느 것이 제2 세트로 지정될지는 자이로스코프의 수명 내에 주어진 지점에서 모드 위치 α에 따라 동적으로 결정된다. More generally, it is in the operating mode of the gyroscope α position, i.e., the high-frequency mode f H relative to the main axis is a digital control system for determining the angular position α,. Once the mode position a is known, a group of aligned (or crossed or adjacent) electrodes with the high frequency mode f H is used to provide a first set for static balancing. The second set of electrodes are therefore different groups of electrodes to be aligned (or intersecting or adjacent to) the low frequency mode f L. Referring to Figures 5 and 6, which of the 16 balancing electrodes is designated as the first set and which is designated as the second set is dynamically determined according to the mode position? At a given point within the lifetime of the gyroscope.

예시example

본 예시적인 예에서, 진동 구조 자이로스코프는 14kHz의 제1 주파수 fp에서 여기되는 제1 cos 2θ 공진을 갖고, 잔류 주파수 분할 Δf=8Hz를 갖는다. 도 4a 내지 4d에서 도시된 정전 밸런싱 스킴에 따르면, 8Hz의 정적 밸런스(도 4b), f0=0.1Hz인 작은 주파수 오프셋(도 4c)이 적용되고, 그리고 ±δf로 도시되는, 동적 미세 주파수 밸런스 조정에 대해 미세 밸런싱 전압이 허용된다(도 4d). 미세 주파수 조정 δf는 f0까지의 값을 가질 수 있고, 즉 δf=±0.1Hz 또는 그 미만이며, 예를 들면 δf=±0.05Hz 또는 δf=±0.01Hz이다. In this illustrative example, the vibratory structure gyroscope has a first cos 2? Resonance excited at a first frequency f p of 14 kHz and has a residual frequency division? F = 8 Hz. According to the electrostatic balancing scheme shown in Figures 4a to 4d, the 8Hz static balance (Fig. 4b), f 0 = 0.1Hz the frequency offset is small (Fig. 4c) is applied, and the dynamic balance is fine frequency shown by ± δf A fine balancing voltage is allowed for regulation (Figure 4d). The fine frequency adjustment δf may have a value up to f 0 , that is, δf = ± 0.1 Hz or less, for example, δf = ± 0.05 Hz or δf = ± 0.01 Hz.

DAC 값이 n(LSB)인 DAC의 경우, DAC 출력 전압 V(n)=kn이다. DAC는 n이 0에서 2N까지 변화함에 따라 밸런싱 전압을 0V에서 V0까지 제어할 수 있고, 여기서 N은 DAC 비트들의 수이고, 즉 8비트 DAC는 N=256을 갖는다. 밸런싱 효율 ηB는 제곱된 관계만큼 전압 차이 ΔV=V0-V(n)에 관련되고, 즉 ηB는 ΔV2에 따라 달라진다. n=12이고 V0=10V인 예에 대해, ηB=10ΔV2/Hz를 갖는다. For a DAC whose DAC value is n (LSB), the DAC output voltage V (n) = kN. The DAC can control the balancing voltage from 0V to V 0 as n varies from 0 to 2 N , where N is the number of DAC bits, that is, the 8-bit DAC has N = 256. The balancing efficiency η B is related to the voltage difference ΔV = V 0 -V (n) by a squared relationship, ie η B depends on ΔV 2 . For the example where n = 12 and V 0 = 10V, η B = 10ΔV 2 / Hz.

Figure pat00003
Figure pat00003

n의 변화에 대한 민감도, 즉 분해능은 다음과 같다. The sensitivity to the change of n, that is, the resolution, is as follows.

Figure pat00004
Figure pat00004

이것은 분해능이 n의 함수여서 n이 작을 때 더 미세한 분해능이 달성된다는 것을 나타낸다. This indicates that resolution is a function of n, so that finer resolution is achieved when n is small.

도 7에서, 그래프 상의 지점 A(작은 n)는, 즉 도 3c에 따르면 8Hz의 정적 밸런스에 관하여 동적 주파수 밸런스 조정 δf=±0.05Hz를 나타내는 반면, 그래프 상의 영역 B(큰 n)는, 즉 도 4d에 따르면 0.1Hz의 주파수 오프셋 f0에 관하여 동적 주파수 밸런스 조정 δf=±0.05Hz를 나타낸다. 도 8은 결과적인 주파수 시프트 분해능이 A에 비교할 때 B에 대해 얼마나 더 미세한지를 보여준다. 분해능의 향상은 8.81 이다. 7, the point A (small n) on the graph represents the dynamic frequency balance adjustment δf = ± 0.05 Hz with respect to the static balance of 8 Hz according to FIG. 3c, while the area B (large n) According to 4d, the dynamic frequency balance adjustment δf = ± 0.05 Hz with respect to the frequency offset f 0 of 0.1 Hz. Figure 8 shows how finer the resulting frequency shift resolution is for B compared to A. The improvement in resolution is 8.81.

본 예시는 동적 밸런스 조정이 상대적으로 큰 정적 밸런스 보정, 예를 들어 8Hz과 결합하여 구현될 때, 이용 가능한 분해능은 저하되고, 이것은 전체적인 자이로스코프 성능을 제한한다는 것을 예를 들어 설명한다 (도 3). 반면에, 도 4에 따르면 고주파 및 저주파 모드들 모두에 적용되는 부가적인 주파수 오프셋 f0 = 0.1Hz는 동적 주파수 밸런스 조정의 분해능이 초기의 정적 밸런스에 무관하게 유지되도록 보장한다. 이것은 다양하고 서로 다른 자이로스코프들 범위에서 개선점을 제공한다. This example illustrates that when the dynamic balance adjustment is implemented in conjunction with a relatively large static balance correction, e. G. 8 Hz, the available resolution is degraded, which limits overall gyroscopic performance (Figure 3) . On the other hand, according to FIG. 4, the additional frequency offset f 0 = 0.1 Hz applied to both the high and low frequency modes ensures that the resolution of the dynamic frequency balance adjustment is maintained independent of the initial static balance. This provides improvements in a wide range of different gyroscopes.

Claims (15)

정전 구동력들에 응답하여 평면내(in a plane) 진동하도록 배치된 환형 공진기;
제1 주파수 fp에서 주 축을 따라 제1 cos nθ 공진을 여기시켜서, 면외(out-of-plane) 축에 관해 인가된 각도 비율로부터 생기는 코리올리 힘이 제2 주파수 fs에서 2차 축을 따라 제2 cos nθ 공진을 유도하는, 정전 구동력을 생성하는 전압을 인가하도록 배치된 용량성 구동 전극들의 세트;
상기 환형 공진기의 기하학적 형상은 고주파 모드 fH 및 직교하는 저주파 모드 fL의 중첩이 되고, Δf=fH-fL로 정의되는 주파수 분할 Δf를 갖는 제1 주파수 fP를 초래하고,
작은 주파수 오프셋 f0에 의해 주파수 fL 아래의 오프셋 주파수 fH', 즉 fH'=fH-Δf-f0, 로 상기 주파수 fH를 낮추도록 정적 정전 밸런싱 힘을 생성하는 제1 정적 밸런싱 전압을 인가하도록 배치되되 디지털적으로 제어되는 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들; 및
상기 동일한 작은 주파수 오프셋 f0에 의해 오프셋 주파수 fL', 즉 fL'=fL-f0, 로 상기 주파수 fL를 낮추도록 작은 정적 정전 밸런싱 힘을 생성하는 제2 정적 밸런싱 전압을 인가하도록 배치된 디지털적으로 제어되는 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들을 포함하는 진동 구조 자이로스코프에 있어서,
상기 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극은 동작시 fH'를 fL'로 유지시키도록 상기 오프셋 주파수 fH'를 낮추기 위해 미세 주파수 조정
Figure pat00005
을 제공하는 동적 정전 밸런싱 힘을 생성하는 미세 밸런싱 전압을 동적으로 인가하도록 배치되는, 진동 구조 자이로스코프.
An annular resonator arranged to vibrate in plane in response to the electrostatic driving forces;
Excites the first cos n? Resonance along the major axis at the first frequency f p so that a Coriolis force resulting from the applied angular rate about the out-of-plane axis is transmitted along the second axis at the second frequency f s to the second a set of capacitive driving electrodes arranged to apply a voltage to induce cos n? resonance, which generates an electrostatic driving force;
The geometry of the annular resonator is superimposed on the high frequency mode f H and the orthogonal low frequency mode f L , resulting in a first frequency f P having a frequency division? F defined by? F = f H -f L ,
A first static balancing to generate a static electrostatic balancing force to lower the frequency f H by an offset frequency f H 'below the frequency f L by a small frequency offset f 0 , i.e., f H ' = f H -? F - f 0 , A first set of capacitively balancing electrodes that are arranged to apply a voltage and are digitally controlled; And
To apply a second static balancing voltage that produces a small static electrostatic balancing force to lower the frequency f L by an offset frequency f L ', i.e., f L ' = f L -f 0 , by the same small frequency offset f 0 A vibrating structure gyroscope comprising a second digitally controlled set of capacitive balancing electrodes,
Capacitive balancing electrode of the second set of operations when f H 'a L f' the frequency offset by f H to hold 'the fine adjustment frequency to lower
Figure pat00005
Wherein the dynamic balancing voltage is dynamically applied to generate a dynamic balancing force that provides a dynamic balancing force to provide a dynamic balancing force.
청구항 1에 있어서, 상기 작은 주파수 오프셋은 f0<Δf를 만족하고, 바람직하게는 f0<<Δf를 만족하는, 진동 구조 자이로스코프. The vibratory structure gyroscope according to claim 1, wherein the small frequency offset satisfies f 0 <? F and preferably satisfies f 0 << Δf. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들과 독립적으로 상기 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들을 제어하도록 배치된 디지털 제어 시스템을 포함하는, 진동 구조 자이로스코프. 6. A vibratory structural gyroscope as claimed in any one of the preceding claims, comprising a digital control system arranged to control the second set of capacitive balancing electrodes independently of the first set of capacitive balancing electrodes. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주 축에 대한 고주파 모드 fH의 각도 위치 α를 결정하도록 배치된 제어 시스템을 포함하는, 진동 구조 자이로스코프. 6. A vibratory structural gyroscope as claimed in any one of the preceding claims, comprising a control system arranged to determine an angular position alpha of the high-frequency mode f H relative to the primary axis. 청구항 4에 있어서, N개의 용량성 밸런싱 전극들을 포함하고, 상기 디지털 제어 시스템은 상기 N개의 용량성 밸런싱 전극들 중에서 밸런싱 전극들의 4개의 그룹들 중 어느 것이 임의의 주어진 시간 시점에서 상기 각도 위치 α에 기초하여 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트를 각각 제공하는지를 결정하는, 진동 구조 자이로스코프. 5. The apparatus of claim 4, comprising N capacitive balancing electrodes, wherein the digital control system is operable to determine which of the four groups of balancing electrodes among the N capacitive balancing electrodes is at the angular position alpha at any given time instant Based on the first set and the second set, respectively. 청구항 5에 있어서, 상기 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 밸런싱 전극들의 상기 4개의 그룹들 중 적어도 어느 하나가 고주파 모드 fH의 축에 정렬(aligned)되거나, 이를 가로지르거나(straddling) 또는 이에 인접(adjacent)하도록 선택되는, 진동 구조 자이로스코프. The method according to claim 5, wherein at least any one of said four groups of the capacitive balancing electrodes are balanced electrode of the first set or arranged (aligned) to the axis of the high-frequency mode f H, this crossing or (straddling) or in Wherein the vibration structure is selected to be adjacent. 청구항 5 또는 6에 있어서, 상기 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 밸런싱 전극들의 상기 4개의 그룹들 중 적어도 어느 하나가 저주파 모드 fL의 축에 정렬(aligned)되거나, 이를 가로지르거나(straddling) 또는 이에 인접(adjacent)하도록 선택되는, 진동 구조 자이로스코프.Claim 5 or according to 6, wherein the capacitive balancing electrode of the second set or at least any one of said four groups of balance electrodes are arranged (aligned) to the axis of the low frequency mode f L, this crossing or (straddling) Or adjacent to, a vibrating structural gyroscope. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 세트의 디지털적으로 제어되는 용량성 밸런싱 전극들에 연결되고 상기 미세 주파수 조정 ±δf를 제공하도록 상기 제2 세트의 용량성 밸런싱을 동적으로 제어하도록 배치된 아날로그 신호 제어 회로를 포함하는, 진동 구조 자이로스코프. 6. A method according to any one of the preceding claims, further comprising the steps of: dynamically controlling the second set of capacitive balancing to be connected to the second set of digitally controlled capacitive balancing electrodes and to provide the fine tuning &lt; RTI ID = 0.0 &gt; And an analog signal control circuit disposed therein. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 세트의 디지털적으로 제어되는 용량성 밸런싱 전극들에 연결되는 디지털 제어 회로를 포함하고, 상기 디지털 제어 회로는 상기 작은 주파수 오프셋 f0을 생성하는 디지털적으로 제어되는 전압을 발생시키도록 배치된 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 포함하는, 진동 구조 자이로스코프. 6. A method according to any one of the preceding claims, comprising a digital control circuit coupled to said second set of digitally controlled capacitive balancing electrodes, said digital control circuit comprising a digital &lt; RTI ID = 0.0 &gt; And a digital-to-analog converter (DAC) arranged to generate a controlled voltage. 청구항 9에 있어서, 상기 제2 세트의 디지털적으로 제어되는 용량성 밸런싱 전극들에 연결된 상기 디지털 제어 회로는 상기 미세 주파수 조정 ±δf를 제공하기 위해 상기 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들을 동적으로 제어하도록 배치된, 진동 구조 자이로스코프. 10. The method of claim 9, wherein the digital control circuit coupled to the second set of digitally controlled capacitive balancing electrodes is configured to dynamically control the second set of capacitive balancing electrodes to provide the fine frequency adjustment &lt; RTI ID = 0.0 &gt; , Wherein the vibrating structural gyroscope comprises: 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 세트의 디지털적으로 제어되는 용량성 밸런싱 전극들에 연결된 디지털 제어 회로를 포함하고, 상기 디지털 제어 회로는 상기 제1 정적(static) 밸런싱 전압을 생성하는 디지털적으로 제어되는 전압을 발생시키도록 배치된 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 포함하는, 진동 구조 자이로스코프. 6. A method as claimed in any one of the preceding claims, comprising a digital control circuit coupled to the first set of digitally controlled capacitive balancing electrodes, the digital control circuit generating the first static balancing voltage And a digital-to-analog converter (DAC) arranged to generate a digitally controlled voltage. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유도된 제2 cos nθ 공진을 측정하기 위해 배치된 용량성 감지 전극들의 세트를 더 포함하는, 진동 구조 자이로스코프. 6. The vibratory structure gyroscope according to any one of the preceding claims, further comprising a set of capacitive sensing electrodes arranged to measure the induced second cos n [theta] resonance. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용량성 구동 전극들의 세트는 상기 주 축을 따라 제1 cos 2θ 공진을 여기하도록 정전 구동력을 생성시키는 전압을 인가하도록 배치된, 진동 구조 자이로스코프. 6. A vibratory structure gyroscope according to any one of the preceding claims, wherein the set of capacitive driving electrodes is arranged to apply a voltage that generates an electrostatic driving force to excite a first cos 2? Resonance along the primary axis. 청구항 13에 있어서, 4개의 밸런싱 전극들의 4개의 그룹들에서 상기 환형 공진기 주위에 동일하게 이격된 각도 위치에 있는 16개의 용량성 밸런싱 전극들을 포함하고, 상기 4개의 그룹들은 서로에 대해 90°로 이격된, 진동 구조 자이로스코프. 14. The device of claim 13, comprising 16 capacitive balancing electrodes in angular positions equally spaced about the annular resonator in four groups of four balancing electrodes, the four groups being spaced 90 degrees apart from each other Vibration structure gyroscope. 청구항 14에 있어서, 상기 제1 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 상기 4개의 그룹들 각각에서 상기 4개의 밸런싱 전극들 중 하나 또는 두 개로 구성되고, 상기 제2 세트의 용량성 밸런싱 전극들은 상기 4개의 그룹들 각각에서 상기 4개의 밸런싱 전극들 중 또 다른 하나 또는 두 개로 구성된, 진동 구조 자이로스코프. 15. The method of claim 14, wherein the first set of capacitive balancing electrodes comprises one or two of the four balancing electrodes in each of the four groups, and the second set of capacitive balancing electrodes comprises the four groups And one or more of the four balancing electrodes in each of the two balanced electrodes.
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